ferienakademie 18.09.11 - 30.09.11 kernfusion · 1. entwicklung der kernfusion •1919 entdeckung...
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Inhalt
1. Geschichte der Kernfusion
2. Physikalische Grundlagen
3. Kernfusion auf der Sonne
4. Kernfusion auf der Erde
4.1 Umsetzung
4.2 Tokamak
4.3 Stellarator
5. Ausblick
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1. Entwicklung der Kernfusion
• 1919 Entdeckung durch Ernest Rutherford
• 1928 Deutung mithilfe der Quantenmechanik
• Kernfusion als Energiequelle der Sonne
• 1934 erste künstliche Fusion von Deuterium und Tritium zu Helium
• Zuerst militärische Waffenentwicklung
1952 Zündung einer Wasserstoffbombe
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Entwicklung der Kernfusion
• 1. Forschungsprojekt nach dem 2. Weltkrieg
• Entwicklung von zwei Varianten: Stellarator (USA) und Tokamak (UdSSR)
• 1983 startet die Versuchsanlage JET (Joint European Torus)
• Nachfolger: ITER - Fertigstellung 2018 geplant
• Baukosten ca. 5 Milliarden Euro
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Entwicklung der Kernfusion
• Tokamak ist führender Experimenttyp
• ABER: Stellarator noch nicht aufgegeben
• Bau von Wendelstein 7-X in Greifswald (2014)
• Max-Planck- Institut für Plasmaphysik in Garching: Wendelstein 7-AS (1988-2002)
• Berechnung der Konfiguration für die Magnetfelder mit Supercomputern
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Inhalt
1. Geschichte der Kernfusion
2. Physikalische Grundlagen
3. Kernfusion auf der Sonne
4. Kernfusion auf der Erde
4.1 Umsetzung
4.2 Tokamak
4.3 Stellarator
5. Ausblick
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Physikalische Grundlagen der Kernfusion
„Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile”
(von Aristoteles)
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Massendefekt beim 4He Kern
mp = 1,67262 ∙ 10-27 kg
mn = 1,67493 ∙ 10-27 kg
2mp + 2mn = 6,69510 ∙ 10-27 kg
Aber genaue Massenbestimmung ergibt:
m4He = 6,644656 ∙ 10-27 kg
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Bindungsenergie
ΔE = Δm ∙ c² ΔE = 28,3 MeV
Für jedes Nukleon bei 4He : ΔE ≈ 7,1 MeV
Bei jedem Element verschieden
Wert zwischen 7 und 9 MeV (Außer bei sehr leichten Atomkernen)
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Grundkräfte der Physik
Kraft Charakteristik Reichweite
Gravitationskraft
immer anziehend
unendlich
Elektromagnetische Kraft
anziehend oder abstoßend
unendlich
Schwache Kernkraft
Auftreten bei radioaktiven Zerfällen, Umwandlung von
Protonen in Neutronen
weniger als 10−15 m
Starke Kernkraft
Zusammenhalt der Protonen im Atomkern
ca. 2,5·10−15 m
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Zu überwindender Coulombwall
• Abstoßende Coulombkraft
• Faustformel für die Höhe des Coulombwalls
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Inhalt
1. Geschichte der Kernfusion
2. Physikalische Grundlagen
3. Kernfusion auf der Sonne
4. Kernfusion auf der Erde
4.1 Umsetzung
4.2 Tokamak
4.3 Stellarator
5. Ausblick
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Kernfusion auf der Sonne
• 92% der Atome sind Wasserstoff; 7,9% Helium
• Kern: 1,6% des Volumens, 50% der Masse
• Im Zentrum: herrschender Druck 2 ∙ 1016 Pa, Temperaturen von 14,8 Millionen Kelvin
• Im Kern findet die Fusion statt
• Umwandlung von 4,3 Millionen Tonnen Materie in Energie (pro Sekunde!!)
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Kernfusion auf der Sonne
• Wasserstoffbrennen (Wasserstoff Helium)
• mehrere verschiedene Fusionsprozesse
• Proton-Proton Fusion
• CNO-Zyklus
(3,4·108 Jahre)
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Inhalt
1. Geschichte der Kernfusion
2. Physikalische Grundlagen
3. Kernfusion auf der Sonne
4. Kernfusion auf der Erde
4.1 Umsetzung
4.2 Tokamak
4.3 Stellarator
5. Ausblick
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Fusionsmaterial
• Kernfusion wie auf der Sonne:
zu langsam und zu viel Gammastrahlung
• Erde: Fusion von Deuterium und Tritium
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Blanket
• Soll innere Wand des Plasmagefäßes bedecken
• Dicke: 1m
• Bremst die Fusionsneutronen ab
Energieabfuhr über Kühlmittel (Helium)
• Besteht teilweise aus Lithium
Erbrüten des Tritiums
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Blanket
• Aber: Neutronenverluste!
• Be oder Pb „Neutronenvermehrer“
• Zusätzlich: Abschirmung vor Neutronen
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Magnetischer Einschluss
• Toroidales Magnetfeld lenkt Ionen im Plasma auf Bahnen
• Aber: Magnetfeld inhomogen Drift
• Vertikales zweites Feld kompensiert Drift der Ionen (poloidal)
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Spulenmaterial
• Sehr hohe Belastungen
• Heute: normalleitende Kupferspulen
• Zukunft: supraleitende Spulen
weniger Energieverbrauch!
Kühlung mit Helium
• Material: Niob-Titan oder Niob-Zinn
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Verunreinigungen im Plasma
• Wenige der Stöße im Plasma führen zur Fusion
• Aber: es kommt zu Energieverlusten (Ionen wandern nach außen)
• Atome der Gefäßwand gelangen ins Plasma
kühlen das Plasma ab (Verunreinigungen)
• Konzentration der Verunreinigung muss gering sein
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Plasmabegrenzung
• Einbau von Limitern
Material mit niedriger Ordnungszahl
• Magnetische Limiter
kein direkter Wandkontakt
besserer Einschluss
• Divertor
Verunreinigtes Plasma trifft auf Platten
Abpumpen von Gas und Helium 39
Aufheizen des Plasmas
Elektrisches Aufheizen: Widerstand des Plasmas Wärmezunahme bei Stromfluss Nur bis 20-30 Millionen Kelvin
Hochfrequenzheizung: Anregung der Ionen (Resonanzfrequenz)
Magnetische Kompression: Zusammenpressen des Plasmas (adiabatisch) Erwärmung
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Brennstoff nachfüllen
Neutralteilchen-Einschuss
Gaseinlass am Gefäßrand
Pelletinjektion (max. 1200m/s)
gefrorene Deuterium Kügelchen
wichtiges Steuerungselement
erleichtert Zündung
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Inhalt
1. Geschichte der Kernfusion
2. Physikalische Grundlagen
3. Kernfusion auf der Sonne
4. Kernfusion auf der Erde
4.1 Umsetzung
4.2 Tokamak
4.3 Stellarator
5. Ausblick
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Vorteile gegenüber der Kernspaltung
Rohstoffe unerschöpflich vorhanden
Keine langlebigen radioaktiven Produkte
Sicherer als Kernspaltung
Aber: Errichtung eines Fusionskraftwerks sehr teuer
Gute Chancen in der Zukunft
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Was fehlt noch?
Materialentwicklung (Wände)
Bau großer supraleitender Magneten
Dauerbetrieb des Tokamaks
Kraftwerk muss Mindestgröße besitzen
geeignet für Industrieländer
Frühestens 2050 effiziente Fusion
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Quellen:
• [1] Physik in unserer Zeit 3 (2007) von Sibylle Günter und Karl Lackner
• [2] http://www.leifiphysik.de
• [3] Kernfusion Berichte aus der Forschung vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
• [4] http://www.energie-info-24.de/Kernfusionsreaktor
• [5] Physik in unserer Zeit 4 (2006) von Isabella Milch
• [6] http://de.wikipedia.org/wiki/Kernfusion
• [7] Experimentalphysik 4 von Wolfgang Demtröder, Springer Verlag
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Abbildungsverzeichnis
• [8] (Sonnenbild): http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/0,1518,288953,00.html
• [9] (Wasserstoffbombe): http://www.20min.ch/interaktiv/Atommaechte/usa.html
• [10] (Bindungsenergie pro Nukleon) http://www.kernfragen.de/kernfragen/physik/02-Der-Atomkern/2-3-Massendefekt.php#id2657057
• Alle weiteren Abbildungen wurden entweder selbst erstellt oder sind einer der zuvor aufgeführten Quellen entnommen
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